UPThèses

L'électronique de puissance embarquée assure des fonctions indispensables à la traction électrique. La forte miniaturisation des semi-conducteurs utilisés se manifeste par des densités de flux dissipées en constante augmentation. D'autre part, la fiabilité des systèmes de refroidissement existants est encore perfectible et justifie l'utilisation d'un dispositif à pompage capillaire. Ce mémoire se consacre donc à la caractérisation d'un refroidissement diphasique à pompage capillaire innovant, adapté à de fortes densités de flux et offrant une fiabilité accrue.L'accent est mis sur les transferts de chaleur et de masse pour un fluide diphasique immergé en milieu poreux et soumis à de fortes densités de flux de chaleur. Cette étude expérimentale débouche sur une analyse des données collectées à l'aide d'un modèle nodal doublé de techniques inverses. Cela afin de remonter aux paramètres nécessaires pour associer la surchauffe créée à une densité de flux de chaleur et d'en analyser les variations en fonction des caractéristiques du milieu poreux. La méthode a permis de remonter à des concentrations de l'ordre de 100 W.cm-2 appliquées sur le milieu poreux.Dans un second temps, la présentation détaillée de la boucle diphasique, utilisant cette configuration d'écoulement, se focalise sur l'originalité de l'architecture utilisée par rapport aux boucles diphasiques usuelles. Des essais sont réalisés en balayant toute une variété de paramètres tels que la densité de flux de chaleur injectée à l'évaporateur ou les pertes de charge générées par la boucle. Les premiers développements apportés à un modèle comportemental permettent d'en analyser quelques régimes transitoires et stationnaires à même de transférer jusqu'à 5,5 kW par évaporateur.

Les systèmes spatiaux (satellite, sonde, ...) intègrent de plus en plus d'équipements dissipatifs d'énergie.Cette complexité, couplée à des contraintes imposées en terme de réduction des volumes et des masses embarqués à bord de ces engins engendre un besoin croissant de solutions de contrôle thermique précises, fiables et autonomes. Dans ce contexte contraignant, les systèmes diphasiques de type caloduc et boucles fluides à pompage capillaire semblent incontournables en raison des capacités de transport de chaleur importantes qu'ils peuvent procurer et également grâce à leur fonctionnement passif et fiable. Le travail présenté dans ce mémoire est consacré à la caractérisation du fonctionnement thermique d'un nouveau système de transport de chaleur diphasique passif : le caloduc oscillant. L'étude expérimentale menée a permis de caractériser les performances de deux prototypes de caloducs oscillants développés différant par la nature du fluide employé (eau et acétone) et par le diamètre du tube où circulent liquide et vapeur. Les effets induits par plusieurs paramètres complémentaires influents tels que le taux de remplissage, la puissance thermique ou l'angle d'inclinaison, ... sur le fonctionnement de ces deux dispositifs ont également été explorés. Les différentes campagnes d'essais ont révélé un fort potentiel de transfert de chaleur et un comportement beaucoup moins sensible aux forces de gravité qu'un caloduc conventionnel à pompage capillaire. A cette approche expérimentale s'ajoute une réflexion théorique destinée à modéliser le comportement thermohydraulique d'un volume élémentaire de fluide composé d'une seule bulle de vapeur et d'un seul bouchon de liquide, comportement engendré uniquement sous l'effet de sollicitations thermiques. Ce modèle a conduit en particulier à la mise en évidence de conditions favorables à l'apparition et l'entretien des oscillations du front liquide-vapeur.

Le caloduc est un dispositif de transport à haute performance dont le principe de fonctionnement repose sur le transfert thermique par changement de phase d'un fluide. Son utilisation est devenue courante sur les satellites de télécommunication afin d'en assurer le contrôle thermique. La majorité d'entre eux se compose d'une structure capillaire interne réalisée par des rainures axiales. La modélisation thermique et hydraulique des caloducs rainurés pour application spatiale nécessite une connaissance accrue du comportement des écoulements dans les rainures. Ainsi, même si l'écoulement est normalement laminaire, une surface libre gouvernée par les forces de capillarité rend difficile la détermination du coefficient de frottement au sein de la rainure. Un banc expérimental permettant la visualisation de l'interface liquide-vapeur au sein de différents profilés de caloduc a donc été développé. Cette expérience, associée à un programme de traitement d'images permet de déterminer la hauteur de liquide et du rayon de courbure du ménisque. La comparaison des résultats obtenus en écoulement laminaire isotherme, avec des simulations numériques ont permis de mieux appréhender l'influence de la tension de surface sur l'écoulement liquide. Dans un second temps, des développements conséquents du banc ont permis de l'aménager pour assurer des visualisations des interfaces liquide-vapeur en conditions thermiques. Les premières exploitations ont révélés des éléments intéressants de caractérisation du comportement du fluide dans la zone évaporateur du caloduc.

L'étude de la combustion de combustibles solides (pour la production d'énergie mais aussi pour l'incinération de déchets), pour l'optimisation en termes de rendement et de réduction des émissions d'espèces nocives demande la prise en considération de tous les phénomènes énergétiques à l'échelle microscopique. Dans cette optique nous présentons un travail qui porte sur la caractérisation de l'incidence des échanges radiatifs sur les propriétés de transfert thermique des milieux poreux. Un outil de simulation 3d à l'échelle de microscopique, basé sur une méthode de Monte Carlo, a été mis en place. Il a ensuite été appliqué à la simulation du transfert par conduction et rayonnement à partir d'un grain source de chaleur au coeur de milieux poreux, en explorant une plage étendue de microstructures et de paramètres opératoires. Les résultats montrent que les transferts radiatifs peuvent avoir une influence considérable dans le processus de smoldering. La prise en compte du rayonnement dans une description macroscopique peut se faire par le biais d'une conductivité radiative équivalente, pour laquelle une modélisation en fonction de la température locale et de propriétés géométriques du milieu poreux est proposée.

La combustion en milieu poreux est traitée par le biais de simulations numériques directes et détaillées, à la microéchelle, dans une extension du travail de Debenest (2003, 2005) qui porte principalement sur un enrichissement du modèle chimique. On considère plus particulièrement la combustion en lit fixe de particules solides, avec comme première application le brûlage de schistes bitumineux. Les processus de transport (convection, diffusion, conduction) et les réactions chimiques sont explicitement décrits à l'échelle des pores, ce qui permet d'exhiber leurs couplages et de révéler les phénomènes locaux qui déterminent les comportements globaux. Les simulations sont conduites principalement dans deux configurations bidimensionnelles, milieu stratifié ou réseau de cylindres, en examinant les effets des réactions pyrolytiques (cracking du kérogène et calcination des carbonates), et avec un schéma d'oxydoréduction qui fait intervenir jusqu'à quatre réactions. Une typologie phénoménologique est établie, incluant notamment l'existence de deux régimes principaux, avec ou sans flamme dans les pores. Des plages de fonctionnement sont identifiées, suivant les paramètres opératoires. On peut en rationaliser les tendances à l'aide de considérations théoriques, et montrer qu'une description macroscopique peut nécessiter des formulations différentes, selon les situations.

Le couplage vitesse-température est étudié au sein d'une couche de mélange anisotherme avec une nouvelle technique d'anémométrie fil chaud à température de fil variable (PCTA) qui permet des mesures simultanées de vitesse et de température en un pont avec un fil unique. Elle repose sur la variation périodique du coefficient de surchauffe du fil. Une procédure d'étalonnage spécifique et une méthode de traitement du signal basée sur les algorithmes de Levenberg-Marquardt ont été mises au point. La technique est validée par comparaison avec les méthodes classiques de l'anémométrie à fil chaud, température constante (CTA) et courant constante (CCA) dans une configuration d'écoulement anisotherme. La couche de mélange est étudiée pour différentes conditions initiales en termes de gradients de vitesse et de température. Le comportement propre du champ de température est mis en évidence et analysé en relation avec celui du champ de vitesse à travers des grandeurs moyennes comme la forme des profils transversaux, l'expansion, la dissymétrie, puis à travers le comportement des fluctuations turbulentes. Les densités de probabilité de la température sont de type " marching " dans la région de développement et " non marching " dans la région de similitude. Le synchronisme des mesures vitessetempératurepermet une analyse fine des interactions des fluctuations de vitessse et de température dans le mélange turbulent : des corrélations, des probabilités conditionnellles et une analyse en quadrant, confirment la prédominance, dans le flux de chaleur turbulent, des éjections aux points selles des régions inter-tourbilonnaires.

Le développement des nouvelles technologies entraîne une réduction considérable de la taille des systèmes des composants. Afin de prédire leur comportement, il est nécessaire de connaître leurs propriétés physiques. Dans ce contexte, ce travail s'attache à approfondir les connaissances des propriétés thermiques des semiconducteurs en effectuant des simulations numériques des transferts de chaleur dans des nanostructures. Les transferts de chaleur sont analysés grâce à l'équation de Boltzmann en utilisant la méthode des ordonnées discrètes. Le comportement spectral des porteurs de chaleur, caractérisés par les phonons, est pris en compte à travers leurs vitesses de déplacement et leurs temps de relaxation. Des résultats sont exploités en régime stationnaire afin d'établir les propriétés thermiques des composants. Il a été montré que la loi de Fourier décrit correctement les transferts de chaleur dans les nanofils. En revanche, pour que cette loi soit valable dans les films à température ambiante l'épaisseur de ces structures doit être supérieure au micromètre. Pour des plus petites épaisseurs, les transferts de chaleur par conduction présente une forte composante balistique et ont un comportement analogue à celui du rayonnement en milieu faiblement absorbant. Enfin, la prise en compte de la dépendance spectrale a permis des études en régime instationnaire. Il est, ainsi, montré l'évolution thermique dans les nanostructures aux échelles ultracourtes. On observe que la propagation de la chaleur par conduction dans les systèmes balistiques présente deux vagues, conséquence de la différence entre les vitesses propres aux polarisations des phonons.

Les caloducs sont des hyper-transmetteurs de chaleur passifs et performants, souvent utilisés dans les applications industrielles (électronique, télécommunication, aérospatial,...), notamment pour le contrôle et la régulation thermiques. En particulier, les caloducs font partie des solutions pratiques pour la dissipation et la répartition des flux de chaleur au niveau des panneaux des satellites de télécommunication. La caractérisation du fonctionnement d'un caloduc est typiquement réalisée en procédant à quelques mesures de température en paroi externe, selon un protocole de test industriel, afin de valider ses performances. Cependant, cette approche ne permet pas d'étudier avec précision le comportement thermique du caloduc. Nous avons donc exploité un banc d'essais, en améliorant fortement la métrologie, pour qualifier finement le fonctionnement d'un caloduc cylindrique à rainures axiales. Dans cette étude, les profils de température obtenus en régime permanent montrent que dans la zone évaporateur des gradients thermiques importants peuvent être atteints, en particulier lorsque le caloduc se rapproche de sa limite de fonctionnement (flux maximum transférable). Ces observations représentent les conséquences directes de l'assèchement progressif susceptible de se manifester à fortes densités de flux de chaleur imposées. En absence de modèles fiables et de possibilités de mesure ou d'observation directes, une analyse basée sur une approche numérique inverse est alors proposée. Il s'agit d'estimer les positions du front d'assèchement dans chaque rainure de l'évaporateur à partir des mesures de température en paroi. En exploitant les mesures expérimentales, les résultats de l'inversion montrent comment la zone asséchée se développe en zone évaporateur et comment elle s'accroît avec l'augmentation de la charge thermique. Ainsi, l'échauffement de la paroi du caloduc est susceptible d'être expliqué par l'incapacité des rainures à alimenter la zone chauffée en liquide (atteinte de la limite capillaire). Le recul du liquide vers la zone adiabatique est aussi observé avec l'augmentation de l'inclinaison. Cet effet confirme l'importance du pompage capillaire dans le fonctionnement du caloduc.

Cette thèse a pour objet l'étude thermique d'un réacteur à Décharge à Barrière Diélectrique (DBD) de laboratoire. Une étude expérimentale a d'abord été réalisée afin de mesurer les températures en différents points du réacteur à l'aide de fibres optiques. Ces mesures ont été effectuées en régime transitoire et en régime stationnaire. Afin d'examiner l'influence des pertes thermiques, nous avons en outre considéré des réacteurs non isolés et des réacteurs isolés thermiquement. L'influence de la nature et de la forme des tensions appliquées a également été considérée. C'est ainsi que des expériences ont été menées avec une tension sinusoïdale et avec une alimentation pulsée qui permet une meilleure dynamique de dépôt de puissance. D'une manière générale, l'élévation de la température dans le réacteur est toujours de l'ordre de quelques dizaines de degrés. Cependant, un phénomène intéressant qui semble ne pas avoir été reporté par ailleurs a été mis en évidence. En effet un phénomène d'emballement thermique se produit dans certaines situations conduisant à une élévation de la température de plus de 150°C et ouvrant ainsi de nouvelles perspectives telles que l'association plasma/catalyse, puisque l'on atteint ici des niveaux de température suffisants pour enclencher le phénomène de catalyse. Différents modèles conductifs numériques et analytiques ont par ailleurs été développés. Les modèles analytiques simplifiés, qui ont été proposés, ont été validés et peuvent servir à mieux dimensionner les réacteurs à décharge à barrière diélectrique.

Cette thèse vise l'optimisation du processus de fabrication des AMEs par le pressage à chaud pour les PEMFC, l'optimisation des piles de type SAMFC et le développement de la métrologie spécifique pour la gestion de l'eau et de la chaleur dans le cœur des piles. Ces recherches ont été réalisées dans le cadre du projet " CHAMEAU " du programme PAN-H de l' ANR et du projet AMELI-0Pt du programme " Energies " du CNRS. Le premier objectif concerne la recherche des paramètres optimaux (température, pression, temps de pressage) de fabrication des AMEs par le pressage à chaud. Les résultats obtenus à travers la planification expérimentale annoncent la température comme le facteur le plus influent sur les performances électriques de la pile. Ces dernières augmentent avec la température sur la plage 100°C-115°C et diminuent brutalement après cette valeur critique. Deuxièmement, on s'intéresse sur le développement des piles SAMFC à combustible glycérol. Des travaux sur l'optimisation des conditions opératoires ont permis d'identifier les paramètres importants pour l'amélioration de performances des piles SAMFC et de mettre en place un protocole de test en pile. Des catalyseurs sans/ou avec peu de platine ont dévoilé une augmentation visible des performances électriques par rapport aux catalyseurs Pt/C. Des membranes plasma ont permis de tripler les performances électriques des piles SAMFCs. Troisièmement, on cible le développement d'une métrologie spécifique pour la mesure de la température à l'interface entre la membrane et la couche active. Des capteurs thermo-résistifs intégrés dans l'AME ont montré la possibilité et l'utilité de suivre en temps réel la température de la couche active